【正文】 導(dǎo)教師： 劉磊 二 ○ 一 三 年 六 月 2 摘要 當(dāng)今噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心 悅目、流連忘返。但縱觀這些音控產(chǎn)品，有的利用音樂的時域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾個頻段來控制噴泉的花型， 且多采用低頻、中頻和高頻三個頻段來控制。所以人們就想能有一種通用性和靈活性較強的控制系統(tǒng)來替代原有的繼電器控制系統(tǒng) [3]。 由于采用了上述有效措施，保證了 PLC 的高可靠性，從而使 PLC 的 平均無故障時間已經(jīng)能高達幾十萬小時。 PLC 的調(diào)試可先在實驗室模擬完成，模擬調(diào)試完成后再現(xiàn)場安裝、調(diào)試。工業(yè)中使用的變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。 變頻器的基本構(gòu)成，從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩類。 本報告 在具體分析基于可編程序控制器的廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計，對該控制系統(tǒng)進行了具體的研究和設(shè)計。因此，本設(shè)計的重點在于音樂與 噴泉的同步實時性，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過變頻器來控制電動機，從而達到快速反應(yīng)的目的，所以下面所介紹的是本設(shè)計對音樂噴泉控制系統(tǒng)所需要達到的要求、效果。 此音樂噴泉 控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的 噴泉 延時，使水型與樂曲達到同步的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速的快慢、音樂音頻信號各頻率對應(yīng)聲音信號的強度 , 通過變頻控制系統(tǒng)就可以將音頻信號的變化用噴泉的水柱表現(xiàn)出來 , 水柱的高低按線性比例反映音頻信號的幅度。另外，控制系統(tǒng)的能量消耗大、維修保養(yǎng)工作量大等缺點，從而降低了其經(jīng)濟性。但是，如果利用單片機作為控制系統(tǒng)，其性能會受到相應(yīng)的影響，不能很好的適應(yīng)到極其惡劣的工業(yè)環(huán)境中去。 由于 PLC 本身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入 /輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機等外圍裝置上，這樣便易于檢修和維護。這種性能使 PLC 具有很高的經(jīng)濟效益。 從一開始， PLC 便以易維護作為設(shè)計目標。 綜上所 述 ，對這三種不同形式的控制器的比較，在音樂噴泉的控制系統(tǒng)中，很顯然 PLC 作為控制器的優(yōu)勢比較明顯、突出。而綜合上述方案論證，大型廣場音樂噴泉采用 PLC 控制系統(tǒng)既能很好地滿足其性能要求，并能很好的實現(xiàn)音樂噴泉的各種功能，又經(jīng) 濟 、 安全、方便實用。 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/D模塊 對音樂信號的采樣， 根據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽覺 ,音樂信號的特點。 在 估算 了 PLC的輸入輸出點、內(nèi)部輔助繼電器、定時器、 計 數(shù)器之后，就可以 對 PLC進行選型，并進一步進行輸入 /輸出量的確定 。 PLC類型的選擇 21 在眾多的 PLC 種類當(dāng)中，有松下 FP1 系列 PLC、西門子 S7200， s7300 系列 PLC、華光 SU6B 系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 等產(chǎn)品。 S7200PLC 的硬件系統(tǒng)配置 S7200 有兩種系統(tǒng)配置方式，一種是在面板上進行配置，另一種是在 DIN導(dǎo)軌上進行配置。 S7200 系列目前可以提供三大類共 9種數(shù)字量輸入輸出擴展模塊。 模擬量輸入接口模板的簡介 模擬量輸入接口模板的任務(wù)是把現(xiàn)場中被測的模擬量信號轉(zhuǎn)變成 PLC 可以處理的數(shù)字量信號。 A/D 模塊的選擇 西門子 S7200 型 PLC 的模擬量擴展單元模板類型有以下三種： 第一種： EM231， 4路 12 位模擬量輸入（ AI）模板 （ 1）差分輸入，輸入范圍：電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， +， +5V。 （ 2）差分輸入，電壓： 0～ 10V， 0～ 5V， 0～ 1V， 0～ 500mV， 0～ 100mV， 0～50mV， +10V， +5V， +， +1V， +500mV， +250mV， +100mV，+50mV， +25mV。由于噴泉工程中采用了大量的高新技術(shù)從而使噴泉效果更加絢麗多彩、婀娜多姿，令人賞心悅目、流連忘返。具體接點信號（ RH,RM,RL信號） ON/OFF怎樣組合實現(xiàn)調(diào)速，并能階段性地切換運行速度使用 。 整個噴泉的燈光以暖色調(diào)為主，突出中心部分應(yīng)用水景造型配以不同顏色的燈光襯托， 采用水下彩燈，以紅、黃、綠、蘭四色搭配中心主噴以紅色為主，燈光明亮隨編排程序，與對應(yīng) 7組表數(shù)據(jù)輸出 同步變化。 模擬量輸入 模擬量輸入通過 PLC 的擴展插口直接利用數(shù)據(jù)線連接，不需要另外占用端子排上的端口。而 STF、 RL、 RM、 RH 則是控制調(diào)節(jié)輸出，通過改變其端子組合去改變潛水泵的轉(zhuǎn)速。 N Y Y N 開 始 將 7 組 設(shè)定 數(shù)據(jù)填入表中 選擇變頻器 讀 AIW0 值 將 AIW0 的值存入 AC0，與內(nèi)部設(shè)定量比較 結(jié) 束 T37 計時 參數(shù)初始化 Y N 按下啟動按鈕 運行子程序 調(diào)用子程序 圖 主程序流程圖 34 N Y 開 始 結(jié) 束 正常運行 停止讀 AIW0 的值 按下 停止 按鈕 圖 強制停止流程 圖 圖 是所示為強制停止流程圖 在系統(tǒng)需要關(guān)閉時，不管是出現(xiàn)何種情況的問題，都可以直接按下停止按鈕即可，此時 PLC 會停止所有工作 。邏輯運算包括邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或，以及數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型 BYTE，字型 WORD，雙字型 DWORD。 選擇表格數(shù)據(jù)輸出，首先將音頻信號模擬量輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 EM231，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并存放在寄存器 AIW0 中，然后把 AIW0 中的數(shù)字量按每 讀取一次，存放到累加器 AC0 中，再與內(nèi)部十六進制 160000～ 160FFF 分成 7段比較，當(dāng) AC0 中的值大于且小于某一個范圍值時，輸出相應(yīng)的表格數(shù)據(jù)。等到將表中 6 個數(shù)據(jù)全部輸出完，將繼續(xù)等待下一個選擇。在整個設(shè)計的過程中，在 團隊 學(xué)習(xí)、向人學(xué)習(xí)的前提下，深入地了解電氣控制系統(tǒng)各方面的 知識，熟練地掌握了 PLC 控制技術(shù)各方面的理論知識及其應(yīng)用，逐漸提高了對電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計的實際工作能力，懂得了運用所學(xué)的理論知識與實際情況相結(jié)合。在此我向 劉 老師表示衷心的感謝 ！ 同時，我還要感謝 工程技術(shù)系 所有任課老師和系部領(lǐng)導(dǎo)，感謝他們對我們學(xué)習(xí)上和上活上的關(guān)心與支持，他們不僅傳授了我豐富的知識，還教會了為人處事的原則，這些都讓我在設(shè)計的過程中有一個良好的心態(tài)，并能讓我終身受益。 應(yīng)用 本 項目 主要完成的是音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計，具體廣場各噴頭、燈光的布局在此不做詳細說明設(shè)計。 當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用子程序 0 時，可以有四組變頻器可以輸出。表 所示為參數(shù)初始化時所需要填入相應(yīng)表格中的 7 組數(shù)據(jù)，設(shè)計系統(tǒng)中采用填表指令 ATT（ Add To Table）將其逐一填入，為了減少梯形圖的煩瑣，該表數(shù)據(jù)填入只用一組來說明，在梯形圖中從 Network15~Network21 都 屬 于 表 數(shù) 據(jù) 填 入 ， 在 此 圖 中 省 略Network16~Network21。如：假設(shè)四次采樣都是對應(yīng)第 1組數(shù)據(jù)輸出，那么第一次的應(yīng)該輸出到變頻器 1，第 2 次的應(yīng)該輸出到變頻器 2，依次類推即可。分析完工藝流程和控 制要求后，根據(jù)工藝的總體要和控制系 統(tǒng)的具體情況，畫出控制系統(tǒng)的流程圖。圖中所示輸出 ~ 分別分成 8個一組接至相應(yīng)的 4 組變頻器控制端子，其中 STF 為啟動變頻器正轉(zhuǎn)端，高速 RH端、中速 RM端以及低速 RL端為組合調(diào)速端，通過 31 三個端子可組合成為 7速調(diào)節(jié)，從而使得潛水泵的速度變化也會相應(yīng)的跟著有所改變。 電源部分包括 PLC工作電源AC220V，其他輸入 /輸出電源電壓均為 DC24V。 29 本設(shè)計中采用的是 QS2020/ 型噴泉專用泵，該泵如下特點： 電機性能：采用優(yōu)質(zhì)材料 DR470，增加電機繞組的匝數(shù)及線徑使水泵耐頻繁起動。根據(jù)負載的要求來選擇變頻器的類型。 25 在本系統(tǒng)設(shè)計中，只需要考慮模擬量的輸入模板，不需要模擬量輸出模板，所以首選擴展模塊為 EM231， 4路 12位模擬量輸入（ AI）模板。 第二種： EM232， 2路 12 位模擬量輸出（ AO）模板 （ 1）輸出范圍：電壓 +10V，電流 0～ 20mA。通常， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果是以帶符號的二進制形式出現(xiàn)。 由上述 所需擴展輸出點數(shù)可知，此系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出擴展模塊 EM222， 8點 DC24V 輸出型。因此，可選擇西門子公司的 SIMATIC S7200 系列 PLC。 （ 1） CPU 模塊 該模塊主要包括 CPU、電源和 I/O 點 3 部分。 如表 表 系統(tǒng)數(shù)字量輸入所需各元器件功能及所占 PLC點數(shù) 項目名稱 輸入點數(shù) 備 注 總點數(shù) 啟動按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)啟動 輸入點數(shù)： 2 20 停止按鈕 1 噴泉控制系統(tǒng)停止 系統(tǒng) 模擬量輸入 所需點數(shù)估算 為了將 音頻信號轉(zhuǎn)化成 PLC 能識別的數(shù)字量信號，這里需采用一個模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊，所以模擬量輸入點為 1個。 因為有了它，音樂已不再僅是背景音樂，音樂已用來控制整個噴池噴頭的動作與否，因而已達到了音樂噴泉的最基本要求。 控制系統(tǒng)的組成部分 硬件系統(tǒng) 主要 由 PLC、 A/D轉(zhuǎn)換模塊 、 變頻 器、潛水泵和燈光 組成。 （ 3）系統(tǒng)擴展性分析：系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器，其本身就具有極強的功能擴展性，加之 PLC 產(chǎn)品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴展極其方便 。 方案論證 對音樂噴泉的成敗最重要的是看噴出的水流量是否有音樂感。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。 這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機控制常用的匯編語言相比，雖然在 PLC 內(nèi)部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時間，但 對大多數(shù)的機電控制設(shè)備來說，這些時間是可以忽略的。 方案三 ： PLC 控制系統(tǒng) 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展， PLC 技術(shù)已越 來越成熟，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)。其優(yōu)點有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強，可靠性較高，操作簡單，并且易于維護。 下面我們就如何能方便、簡單地實現(xiàn)音樂噴泉的以上功能及經(jīng)濟角度等方面，將在音樂噴泉控制系統(tǒng)中常用的各種控制控制器或控制電路的優(yōu)缺點進行簡單地比較。 水型的節(jié)奏隨動控制 對于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。 樂曲播放 音樂噴泉所播放的樂曲可以從 電腦 播放器播放，通過功率放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設(shè)備，另一路輸出 到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對音頻信號進行采樣。通過分析該控制系統(tǒng)的各部分的功能要求，以達到音樂噴泉 PLC 控制系統(tǒng)的 最優(yōu)實現(xiàn)方法。因此，可以認為，變頻器的基本構(gòu)成如圖 所示。無速度傳感器矢量控制變頻器可以在各種轉(zhuǎn)速下提供不變的轉(zhuǎn)矩 ，在整個調(diào)速范圍內(nèi)不但給出 160%的過載轉(zhuǎn)矩，同時還可以進行滑 6 差補償。因此，它既可以對開關(guān)量進行控制，又可以對模擬量進行控制。 面向控制過程的編程語言，容易掌握 PLC 的編程語言采用繼電器控制電路的梯形圖語言，清晰直觀。 1974年，我國也開始仿照美國的 PLC 技術(shù)研制自己的 PLC，終于在 1977 年研制出第一臺具有實用價值的 PLC[4]。 可編程序控制器是在計算機技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)起來的，先已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。通過這一設(shè)計過程，進一步熟悉PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 步驟和方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際及知識的綜合運用能力。 目 錄 第一章 緒論 項目背景???????????????????? 3 可編程序控制器概述??????????????? 3 變頻器工作原理????????????????? 5 項目的主要任務(wù)與內(nèi)容?????????????? 6 項目的組織??????????????????? 7 第二章 系統(tǒng)概述及方案論證 系統(tǒng)概述???????????????????? 8 控制系統(tǒng)方案選擇及論證????????????? 11 第三章 系統(tǒng)硬件部分 控制系統(tǒng)的組成部分??????????????? 17 系統(tǒng)的控制過程????????????????? 18 PLC 的選型??????????????????? 18 變頻器的選型及參數(shù)設(shè)置????????? ???? 26 潛水泵與燈組參數(shù)???????????????? 28 PLC 的外部硬